Nowe technologie w systemach zasilanych bateryjnie

Określenie zapotrzebowania na moc umożliwia wybór pomiędzy wieloma źródłami zasilania, zwykle dostępnych w systemach zasilanych z baterii, np. standardowy zasilacz, port USB czy bateria wewnętrzna, gdy natomiast obwód ładowania musi zostać właściwie dostosowany do użytego rodzaju akumulatora, a dokładnie użytej chemii. Obwód monitorowania baterii informuje o napięciu, stanie naładowania i temperaturze akumulatora. Używany wraz z obwodem zabezpieczającym zapewnia wyższą niezawodność pracy akumulatora. Podczas gdy rozwój technologii związanych z zasilaniem bateryjnym nie jest tak powszechny, jak chociażby próby opracowania systemów autonomicznych czy systemów uczących się, to wydaje się, że nowe technologie zarządzania baterią i zasilaniem mogą na nowo zmienić świat. W artykule omówione zostaną funkcje i korzyści oferowane przez nowy mikroukład od firmy Linear Technology, zabezpieczający baterię/akumulator i stanowiący idealne rozwiązanie dla aplikacji mobilnych, od zastosowań konsumenckich poprzez medyczne, aż do motoryzacyjnych. Projektowanie z zasilaniem bateryjnym Nie tylko pożary i eksplozje, nagłaśniane w ostatnich latach, mogą zniszczyć reputację produktu, ale jak się może również okazać, proste problemy związane z akumulatorem. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na ich konstrukcję zabezpieczeń. Akumulatory produkowane są ze swoimi znamionowymi prądami ładowania i rozładowania. Przekroczenie tych wartości powoduje szybki wzrost temperatury akumulatora, co nie tylko zmniejsza jego żywotność ale w najgorszym przypadku prowadzić może do wybuchu ogniwa. Najprostsza ochrona w układzie może być realizowana za pomocą bezpieczników, ale są one nieporęczne, wolno reagują i mają duże tolerancje w swoim progu zadziałania (rysunek 1). Rysunek 1. Przykładowy obwód ochronny baterii z bezpiecznikiem Aby zapobiec nieodwracalnemu uszkodzeniu, należy odłączyć akumulator przed wejściem w stan głębokiego rozładowania. W przypadku ogniwa litowo-jonowego 3,7 V, poziom ten wynosi około 2,5 V. Do odłączenia akumulatora od obciążenia potrzebny jest obwód blokady podnapięciowej UVLO (UnderVoltage Lock-Out), który nie dopuszcza do pracy urządzenia przy zbyt niskim napięciu wejściowym. Może to być zrealizowane za pomocą komparatora, napięcia odniesienia i przełącznika półprzewodnikowego. Przykładem może być P-kanałowy przełącznik typu MOSFET w trybie high-side, który żeby go włączyć nie potrzebuje obwodu pompy ładunku (charge pump). Niestety na rynku nie ma zbyt dużego wyboru w tego typu układach a dodatkowo koszt ich jest znacznie większy, niż MOSFET-ów N-kanałowych dla tej samej rezystancji przewodzenia dren-źródło RDS(ON). I odwrotnie, można zastosować bardziej wydajny N-kanałowy przełącznik MOSFET w trybie low-side, jeśli możliwe jest zastosowanie uziemienia z tzw. „pływającą masą”. Próg niskiego napięcia musi mieć odpowiednią histerezę, w przeciwnym razie obwód UVLO będzie oscylował w trybie off-on-off, ponieważ napięcie akumulatora powróci po wyłączeniu obciążenia. Po zabezpieczeniu baterii, konieczna jest ochrona jej ładunków. Diody typu transil doskonale realizują ochronę przeciwprzepięciową podczas krótkotrwałych impulsów, ale ulegają uszkodzeniu (najczęściej zwarciu) podczas długotrwałej pracy lub w przypadku przepięć DC. Dlatego potrzebny jest inny system do ochrony obciążenia przed przepięciem wejściowym. Przykładem, może być próba podłączenia baterii z odwrotną polaryzacją, co w przypadku braku odpowiedniego zabezpieczenia spowoduje uszkodzenie ładunku. Najprostszym rozwiązaniem w celu zablokowania ujemnego napięcia jest użycie w obwodzie diody prostowniczej. Dużą wadą tego pomysłu jest jednak to, że dioda powoduje straty mocy oraz znaczne obniża napięcie zasilania podczas swojej normalnej pracy. Jak widać, potrzebna jest pewna liczba dyskretnych komponentów i obwodów, aby zapewnić kompleksową ochronę systemów zasilanych bateryjnie. Jednocześnie, pobór prądu w trybie „spoczynku” tych obwodów musi być utrzymywany na niskim poziomie, aby czasy działania i czuwania baterii nie były przez to dodatkowo skracane. Przykładem są, stosowane dzisiaj elektroniczne moduły samochodowe, które mają stały pobór prądu w trybie gotowości mniejszy niż 100 μA, tak aby zapobiec rozładowaniu akumulatora, gdyby użytkownik zapomniał o pojeździe na kilka tygodni. W przypadku wysokoprądowych obwodów można użyć przekaźnika do ich uprzedniego odłączenia od akumulatora. Przekaźniki są również używane do włączania i wyłączania obciążenia, ale są mało poręczne i trudne do zaimplementowania tam gdzie liczy się mobilność i małe gabaryty, dlatego potrzebne są bardziej wydajne i prostsze metody ochrony. Układ o ultra niskim prądzie spoczynkowym Nowy układ LTC4231 to kontroler typu „hot-swap” o ultra niskim prądzie spoczynkowym umożliwiający bezpieczne wkładanie i wyjmowanie płyt elektroniki lub baterii w systemach pozostających pod stałym zasilaniem od 2.7 V do 36 V (rysunek 2). Zakres działania od 2,7 V do 36 V obejmuje szeroki zakres technologii baterii, w tym kwasowo-ołowiowe, Li-Ion i zestawione w stosy akumulatory NiMH, NiCad lub alkaliczne. Rysunek 2. Typowe wykorzystanie kontrolera LTC4231 typu „hot-swap”. Układ zużywa tylko 4 μA w trybie spoczynkowym, co czyni go idealnym do systemów zasilanych bateryjnie LTC4231 steruje zewnętrznymi niskoprądowymi N-kanałowymi tranzystorami MOSFET, w celu powolnego i łagodnego zasilania kondensatorów. Jak podaje producent pozwala to uniknąć przepięć, uszkodzeń złącz i innych usterek systemów zasilania. Poziom łagodnego rozruchu można łatwo regulować za pomocą rezystora i kondensatora podłączonego do bramki MOSFET. Podczas normalnej pracy (pełne włączenie MOSFET), podwójną ochronę przed zbyt dużym prądem zapewnia czasowy wyłącznik i szybkie ograniczenie prądowe. W przypadku niewielkich przeciążeń aktywowany jest licznik zwarć. Kiedy wygasa MOSFET-y są w stanie otwartym, aby odłączyć obciążenie. Podobnie ma to miejsce podczas dużych przeciążeń lub zwarć. Na wyjściu uruchamiany jest licznik zwarć, ale w tym przypadku prąd obciążenia ograniczany jest do 60% wartości prądu znamionowego. W zależności od opcji układ LTC4231 pozostaje wyłączony (w trybie zatrzaśnięcia) po przekroczeniu przeciążenia spowodowanego nadmiernym prądem lub automatycznie włącza się po okresie chłodzenia wynoszącym 500 ms. Zabezpieczenie UVLO odcina akumulatory niskonapięciowe, aby zapobiec głębokiemu rozładowaniu, a regulowana histereza pozwala uniknąć oscylacji po usunięciu obciążenia. Wejście przeciw przepięciowe OV odłącza obciążenie, zapobiegając uszkodzeniom. W ten sposób układ LTC4231 jest w stanie przetrwać a poprzez specjalny układ dwóch MOSFET-ów N-kanałowych ochroni zespół obwodów końcowych przed odwróconą polaryzacją baterii do -40 V. Pojedynczy MOSFET może być wystarczający, pod warunkiem, że nie jest wymagana ochrona wejścia odwrotnego. Rysunek 3. Po włożeniu odwróconej baterii, np. -24V na wejście IN, układ LTC4231 zabezpiecza obciążenie blokując ujemne napięcie przed propagacją do wyjścia (OUT). MOSFET-y połączone w układzie „back-to-back” (pokazane na rysunku 2) są potrzebne do ochrony wejścia odwrotnego Nawet przy całej tej funkcjonalności układu, prąd spoczynkowy urządzenia wynosi zaledwie 4μA podczas normalnej pracy. Umieszczenie LTC4231 w trybie wyłączenia zmniejsza jego prąd spoczynkowy (IQ) do 0.3 μA i wyłącza zewnętrzne MOSFET-y mocy w celu rozłączenia obwodów końcowych, w ten sposób wydłużając czas pracy w trybie gotowości baterii. Aby zapewnić niski pobór prądu, dzielniki rezystancyjne OV i UV są podłączone do wejścia strobe, obniżając ich średni pobór prądu aż 50-krotnie. Techniki obniżania prądu spoczynkowego LTC4231 wykorzystuje dwie innowacyjne techniki, aby obniżyć pobór prądu podczas normalnej pracy, zapewniając jednocześnie pełną ochronę, którą gwarantują również inne ale „prądochłonne” kontrolery. Aby włączyć zewnętrzne N-kanałowe tranzystory MOSFET i obniżyć ich rezystancję RDS(ON), LTC4231 wykorzystuje wewnętrzną pompę ładunku do generowania napięcia bramki o co najmniej 10 V powyżej napięcia wejściowego. W innych sterownikach pompa ładunku działa nieprzerwanie nawet po uruchomieniu bramki, zasadniczo na biegu jałowym, ale w znacznym stopniu przyczyniając się do zwiększenia zużycia prądu spoczynkowego. Natomiast LTC4231 wyłącza pompę ładunku po tym, jak bramka MOSFET osiągnie szczytowe napięcie. Jeśli napięcie bramki spadnie z powodu strat prądu, pompa ładunku włącza się, aby dostarczyć impuls ładowania, odświeżając napięcie bramki. Pokazano to na rysunku 4, na przykładzie strat prądu 0,1 μA i 1 μA z bramek. Rysunek 4a (z lewej). Aby obniżyć prąd spoczynkowy, LTC4231 okresowo aktywuje pompę ładunku, w celu odświeżenia w razie potrzeby napięcia bramki MOSFET. Rysunek 4b (z prawej). Częstotliwość odświeżania bramki MOSFET pokazano dla dwóch różnych przykładów strat prądu bramki (ΔVGATE to napięcie bramka-źródło, ICC to pobór prądu przez LTC4231) Ta technika zmniejsza pobór prądu pompy ładunku od 50x do 100x, w tym przypadku z 200 µA dla normalnej pracy, do 2 µA w trybie uśpienia. Druga technika obniżania prądu spoczynkowego w LTC4231 polega na próbkowaniu napięcia wejściowego co 10 ms, w celu ustalenia, czy spadł on poniżej progu niskiego napięcia lub czy wzrósł powyżej progu przepięcia. W tym celu przewidziano GNDSW (Strobe Ground Connection) – rysunek 5. Rysunek 5. Napięcie wejściowe jest monitorowane w oknie 200μs co 10ms (2% cyklu pracy), aby zmniejszyć 50-krotnie pobór prądu monitorowania UV/OV. Podczas próbkowania, GNDSW jest podłączone do GND za pomocą wewnętrznego 80Ω switcha Sporadyczne pobieranie próbek zmniejsza zużycie prądu przez dzielnik rezystancyjny 50-krotnie, co odpowiedna okresowi próbkowania (10 ms) podzielonemu przez okno próbkowania (200μs). Komparatory monitorujące impulsy UVL, UVH i OV są włączane w trakcie okna próbkowania, obniżając ich średnie zużycie prądu również 50-krotnie. Okres próbkowania 10 ms działa dobrze w przypadku akumulatorów, ponieważ ich napięcie zmienia się powoli w czasie. Jednakże, jeżeli stan zbyt niskiego napięcia lub zbyt wysokiego wystąpi podczas włączania, układ LTC4231 zatrzaskuje MOSFET-y, aby zablokować propagację napięcia spoza zakresu do obciążenia. Większość pojawiających się dzisiaj aplikacji elektronicznych - czujniki bezprzewodowe, urządzenia mierzące podstawowe parametry zdrowotne, kontrolujące aktywność i kondycję człowieka, okulary do rozszerzonej rzeczywistości (VR), drony, roboty - ze względu na funkcjonalność, mobilność i wygodę zasilane są bateriami. Energooszczędne akumulatory, takie jak Li-Ion, podniosły kwestię bezpieczeństwa baterii do publicznej rangi. Układ LTC4231 zapewnia proste, kompaktowe i wytrzymałe rozwiązanie, które może zastąpić bezpieczniki, ograniczniki napięcia i układy dyskretne, stanowiąc energooszczędne i kompletne rozwiązanie problemu ochrony układów elektronicznych. Zabezpiecza system przed głębokim rozładowaniem akumulatora, nadmiernym prądem, zbyt wysokim i niskim napięciem, przeciążeniem wyjścia lub zwarciem, przepięciem oraz odwróceniem polaryzacji. fot.: © Linear